李 洪， 王 宏 伟， 由 丽 华， 张 艺 冰

(1.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091；2. 四川岷江紫坪铺实业有限责任公司，四川 成都 610091)

1 概 述

随着无人机航测、智能采集终端、移动互联网等高新技术的飞速发展，传统水利逐步向现代水利方向转型，新技术在水库工程的建设、管理和维护等方面得到广泛应用。例如，基于无人机航测的水库悬浮泥沙及水质分析应用[1-3]。无人机技术也被用于水库地形测量及库容分析、库区地质灾害监测水库高陡边坡危岩体识别[4-8]、灾害监测[9]、河道勘察[10]、水土保持监管[11-12]等方面。但在水库尤其是大型水库的综合管理中，新技术的应用还不普遍，立体化监控网络体系建设仍存在不足，难以实现全覆盖。长期以来水库管理人员进行巡查主要采取车巡和船巡的方式，存在任务重、效率低、响应不及时、覆盖面小、信息化程度低等突出问题。因此，对大型水库工程而言，构建空天地一体化的水库综合管理系统对于维护库区生态稳定、保障居民生产生活用水安全意义重大。

2 紫坪铺水利枢纽工程

紫坪铺水利枢纽工程是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的水利工程。位于岷江上游的都江堰市境内，上游与岷江干流映秀电站尾水衔接，下游距都江堰市9 km，距都江堰渠首工程6 km，距成都市60 km(图1)。紫坪铺工程是都江堰灌区的水源工程，也是成都平原的防洪屏障。

图1 紫坪水利枢纽工程

紫坪铺水库坝址以上控制流域面积22 662 km2，占岷江上游流域面积的98%，多年平均流量469 m3/s。正常蓄水位时水库面积为18.16 km2，回水长度26.54 km。坝址区基岩山区为强烈上升区，地形切割深，高差大，岸坡陡峭，基岩裸露，不良地质体发育。枢纽区处于龙门山断裂带中央断裂与前山断裂之间，受“5·12”汶川大地震的影响，水库控制流域汛期地质灾害频发，库区滑坡、崩塌时有发生。控制流域内汶川至都江堰区间是岷江上游暴雨多发区，属著名的川西鹿头山暴雨区南端，汛期强降雨形成的大洪水通常夹带大量漂浮物进入库区。水库控制流域面积广、管辖范围大，水文地质环境复杂，日常巡库中会遇到枯期水位消落导致巡库船只不能全库巡查、不能有效观察水库及库周整体状况、汛期行船安全风险较高等问题。为解决当前巡库工作的难点问题，探求无人机技术在水库管理体系中信息化、智能化、智慧化应用，特将无人机技术引入到库区综合管理工作中。

3 无人机选型、航线规划及地理数据库建立

由于水库回水距离较长、水域面积大、地形条件复杂，无人机需要经过多点长距离飞行，因此，对无人机飞行系统性能方面有较高要求，需要选择适宜机型。同时应根据飞行路线周边地形地貌等因素，采集记录河道、峡谷等区域的气象信息，初步规划飞行区段和起降位置，制定合理的飞行航线，建立信息完备的地理环境数据库。

3.1 无人机选型

该研究选用时代星光X-120型无人机，为高性能六旋翼飞行器，整体采用高强度碳钢材料，支持复杂航线规划、返航点记录等功能，可广泛用于数据采集、应急测绘、灾情调查、资源调查、环境保护监测等多种空中任务。该无人机具备较好的环境适应性，能够适应大风、降雨等条件下的飞行任务；续航能力强，可满足较大范围的巡航需求；具备较高的挂载能力，可完成航拍、图像传输、大功率广播等多种任务。时代星光X-120型无人机规格参数见表1。

表1 时代星光X-120型无人机规格参数

3.2 无人机航线规划

无人机执行巡查任务时需遵循特定的飞行航线与高度，为此，前期的研究开展了大量的勘测与试飞工作。针对不同飞行任务目标，考察、分析、验证各项飞行数据，最终确定无人机垂直起降点9处(图2)，无人机滑跑起降点1处；勘测空中障碍物17处，确认各障碍物所在位置以及高度范围；在大量试飞数据的基础上，建立飞行航线9段。所有航线既可保障飞行安全，还可提高巡查效率与效果。

图2 无人机垂直起降点

3.3 库区地理环境数据库建立

无人机在巡查过程，可定期定点记录地质灾害遗址、裸露山体、边坡的情况，并且在低水位时期记录关键河段的主河道位置以及滩涂形态。根据无人机巡库阶段获得的具体地理坐标和现场环境信息，建立水库区域三维数字地理模型，复原库区巡查轨迹信息与环境属性信息，构建水库综合管理地理环境时空数据库，以便从多元多维角度开展水库综合管理工作。地理环境数据库对于库区长期地质监测工作具有重要意义，尤其在山体地形地貌、河道河势等方面。通过对每年相同时间段地理图像比对观察，能够为地质风险的预测和水库安全管理工作提供重要的参考。

目前地理环境数据库已完成部分信息的采集，正在完善过程中，下一步将把数据库的建立作为重点研究内容。

4 无人机水库综合管理应用实例

该研究利用无人机的在飞行巡查中的特有优势，开展库区环境、非法活动、水质及污染情况、地质灾害、岸边人员活动等相关内容的巡查工作。无人机以其独特的高空视角、清晰的拍摄效果，在库区水环境监测工作中发挥了重大作用。

4.1 巡查工作流程

合法、合理、规范的工作流程是顺利开展巡查工作的基础。由于水库的无人机巡查方法在整个行业内尚处于探索阶段，需要在已有法律法规的框架中发挥主观能动性，整理并验证一套满足各方面需求的工作方法和流程。紫坪铺水库无人机巡查工作流程见图3。

图3 巡查工作流程图

4.2 应用实例

4.2.1 库区环境巡查

通过无人机对水库周边及库区巡查，掌握水库漂浮物分布情况，监测水华的发生发展情况。

4.2.1.1 漂浮物动态跟踪监测

2020年8月中旬持续强降雨导致流域内发生百年一遇大洪水，洪水携带进入库区的漂浮物超过30万m2。漂浮物聚集入库后对工程安全、防汛安全造成巨大威胁。无人机巡查动态记录了漂浮物的位置与面积变化趋势，为漂浮物清理工作提供有力支撑。

(1)漂浮物位置确定。无人机从高空视角精确定位漂浮物的位置及其移动变化情况。分析巡查数据后得知：强降雨引发的两次洪水过程，前期漂浮物大片集中在库尾圣音寺村和寿溪2号桥附近(图4、5)，之后两处漂浮物部分随着水流继续向下游移动，另一部分由于水位下降搁浅于岸边。

图4 某工厂对岸漂浮物聚集点

图5 寿溪2号桥附近漂浮聚集点

根据无人机拍摄的影像分析可知，随着时间的推移，中期阶段漂浮物以带状缓慢随水流下移，而后在下游区域岸边不断出现聚集区，并逐渐向主库区缓慢移动。因此随机采取靠前拦堵的方式，加大力度清理，最大限度避免漂浮物进入主库区，减少淤积物在水库的停留时间，以确保水库水质安全。

(2)面积变化趋势。由于水上航道被淤积物堵塞，传统的水库巡查手段无法进行全库巡查，只能粗略统计库区淤积物的大概面积和分布区域。通过图像对比分析法可对库区淤积物的清理效果做出较直观的判断。2020年8月份的洪水灾害后，对库区的漂浮物进行了完整系统的面积估算，为清漂工作规划提供参考数据。部分区域漂浮物面积变化情况见图6。

图6 百花大桥附近漂浮面积前后变化情况

(3)无人机图像采集处理。一直以来，水库漂浮物面积估算均采用人工拉尺测量的方法，该方法费时费力，且估算误差较大。笔者基于“垂直正射投影法”估算漂浮物面积，通过无人机在空中垂直拍摄漂浮物图片，利用摄像机拍摄画幅的固定视场角特点，结合相机横向与纵向像素分布比例，可估算某高度条件下画幅总体面积，进而结合漂浮物在图像中的像素占比，计算出相对精准的漂浮物面积(图7、8)。今后将继续探索 “垂直正射投影法”对漂浮物的面积估算方法，为国内水库管理提供新的思路与方法。

图7 正射投影法面积估算原理

图8 水库漂浮物图像处理效果

4.2.1.2 库区水华跟踪识别

传统巡库方式无法准确识别和判断水华情况。无人机巡库飞行高度较高，更容易识别发生水华的区域边界，可迅速确定库区水华的发生位置，并持续观测判断和分析其发展情况。

2020年6月初，由于上游地区多个电站泄洪，大量垃圾漂浮物夹杂在水中漂至主库区，导致水质偏差，且气温较高，6月9日主库区发生局部水华，并有进一步扩散趋势。2020年6月10～13日，开展无人机水华监测工作。结果表明：水华疑似从龙池方向水域发生，进而扩散至主库区各个区域。部分区域为疑似水华原发区域，部分区域为水华扩散区域，可看出水华在老母孔至大坝间呈条带状分布(图9)。该次水华现象存在以下几个特点：

图9 2020年6月水华情况巡查区域示意图

(1)时间角度。前期主要集中于A区域，然后逐步扩散至B、C、D区域。

(2)形 态。水华区域多呈现多层次带状分布，个别区域呈现鱼鳞状分布。

(3)扩散趋势。由于库区泄洪，水华由A区域以较快速度扩散，扩散顺序约为A→B→C→D。随着水位升高，水华由龙溪支库向主库呈扩散趋势。

水华随水流运动，变化较快，在主库区范围内均有分布(图10)。经多日连续降雨及大坝泄洪，库区水华片区随水流逐渐排出。在2020年6月24日复检中，库区周边区域未发现水华情况，水质良好。

图10 6月龙池方向峡口水华原发位置情况

通过现场取样和室内实验，对表层水体进行采样，并测量水温、透明度和浊度，明确藻密度和藻类构成，得出优势藻种。通过藻类基因测序后得知，藻密度含量较高的坝前点位优势藻种为绿藻门四爿藻属。该藻类常作为饵料用于养殖鱼虾，对水库水环境无不利影响。

4.2.2 库区非法活动调查

紫坪铺水库作为成都平原经济区的水源地，水库内严禁非法采砂、网箱养殖、捕鱼、非法行船等。传统巡查工作存在巡查时间久、处理滞后取证困难等问题。通过无人机巡查技术可对库区非法行为进行拍照取证和跟踪记录。年内巡查时发现的疑似非法活动可及时通报地方政府，并开展联合执法，有效确保水库大坝的安全运行。

4.2.3 地质灾害巡查

紫坪铺水库所在区域高山峡谷并存，不同成因的各类第四系松散堆积层沿两岸均有分布，尤其是在寿溪河以及漩口至坝前岷江的左岸广泛分布规模不等的松散堆积体，稳定条件相对较差。库水位的升降、坡脚开挖、地震等可能引起局部崩塌(图11)。无人机参与地质灾害巡查，可对库区周边地质灾害遗址、正在发生的地质情况变化以及有潜在风险的地质条件进行记录，例如崩塌、滑坡、泥石流、裸露山体等。通过无人机实现地质灾害空间数据采集，建立库区地质灾害模型，通过对不同批次无人机采集数据的叠加分析，对潜在地质灾害易发点位加强巡查管理与加固预防措施，最大程度地规避地质灾害对库区以及人民群众生命财产的威胁。

4.2.4 水质及污染情况

无人机高空水质巡查旨在考察周边的人类活动对于水库生态环境的影响，及时发现水库周边的污染源并进行跟踪排查。该项工作巡查目标包括水体污染位置以及图片取样、疑似排污管道、其他疑似排污痕迹等。

研究主要针对上游库区周围的村镇和工厂附近进行巡查和记录，目前暂未发现明显排污迹象。

4.2.5 岸边人员活动信息

水库管理岸线较长，周边常有人员进入库区管理范围，给水库管理工作造成较大困难。利用无人机开展定期巡查，记录库区、河道附近人员活动情况，初步判断活动原因与动机，详细记录其位置、频次、人员数量等信息，巡查重点包括水库周边垂钓、游玩、露营等情况。对巡查结果进行统计分析，并对人员活动进行拍照取证。管理人员可根据无人机采集的信息对人员进行劝离，对重点区域进行封闭，有效提高水库管理效率，确保人员生命财产安全。

5 结 语

无人机技术在紫坪铺水库中的应用极大提高了水库综合管理的水平和效率。该研究采用正射投影法结合图像分析技术实现漂浮物面积估算，完成了2020年8月份百年一遇洪水后库区的漂浮物完整系统的面积估算。同时，无人机以其独特的高空视角、清晰的拍摄效果为库区水环境监测、地质灾害监测、非法活动巡查等工作提供了强有力的支持。但是，今后需在无人机巡查工作的时效性、信息化水平、远程在线指挥系统等方面展开更加深入的研究，提升无人机在水库综合管理应用中的精度。例如建立可溯源的库区时空数据库，创建水库三维数字场景模型，从多元多维角度开展水库综合管理工作。